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在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?

發布日期: 2020-07-28
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在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?


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眾所周知,人類登陸月球是人類首次對外太空進行探索并邁出的第一步。正如阿姆斯特朗所說,這是個人的一小步,卻是人類的一大步。人類登月為探索月球資源及移民火星提供了參考的價值,對于人類探索太空的歷史來說意義十分巨大。
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在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?


我國的嫦娥探月工程,便是我國在探索月球資源的一個新的階段。那么,如果想要進一步對月球的某一處進行精準的探索,比如在月球南極附近的火山口中開采冰層,我們又如何精準地將物資、設備以及宇航員送達探索的位置呢?是否能通過導航系統實現呢?
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答案是肯定的!
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在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?


據美國加州航空航天局噴氣推進實驗室的張家明和李查爾斯進行的數學計算,他們繪制了來自美國全球定位系統及歐洲的伽利略和俄羅斯的GLONASS系統的導航衛星的軌道,總共有81顆衛星。它們中的大多數都帶有指向地球表面的定向天線,但是它們的信號也輻射到太空中。這些被輻射到太空中的強大的信號,足以被在月球附近裝有相當緊湊的接收器的航天器讀取。通過計算,在月球軌道上的航天器將能夠在任何給定時間“看到” 5至13個衛星的信號,定位精度能達到 200 到 300 米。
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在計算中,GNSS系統實現了定位導航。那么在實際操作上,GNSS系統在復雜的環境下可以為月球上的宇航員和設備提供怎樣的定位導航支持呢?
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在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?


了解定位導航原理的朋友都知道,GNSS系統進行定位的要素有以下幾個:
  • 用戶接收機能夠收到4顆以上導航衛星的信號;
  • 能夠從信號中測量出接收機與各顆導航衛星之間的偽距;
  • 能夠解調出各個信號上的導航電文數據碼,得到各顆導航衛星的軌道信息;
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由于GNSS系統主要是為地面及3000km以下高度的用戶提供導航定位服務。因此,大多數導航衛星的信號都是指向地球表面的定向天線,對于約385000km外高度的月球,只能接收來自地球同側衛星的旁瓣信號或者地球另一面衛星的主瓣和旁瓣信號。
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同時因為與地球以及衛星信號的距離遠,信號的傳輸距離增大,從而導致信號減弱。加上在月球上只能接收到衛星發射天線相對更弱的旁瓣信號,因此在月球表面可接收的GNSS信號強度只能達到地面用戶的1/1000。
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在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?


除了信號強度,定位精度也會比地面上的用戶更差。定位精度取決于可見的導航衛星相對用戶的空間幾何分布。通常采用位置精度因子(PDOP)來表征定位精度。在幾何上,當可見的導航衛星均勻分布在用戶四周時,幾何分布較好,相應的PDOP值較小,定位精度較高;反之,當可見的導航衛星集中在一處或者排列在一條直線上時,幾何分布較差,相應的PDOP值較大,定位精度較低。
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在月球上,因為距離較遠,導致了可見的導航衛星幾何分布變差,位置精度因子也急劇增大。對于月面目標,PDOP值可能惡化至數百或千的量級,相應的單點定位精度約為數十千米量級。

在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?

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可以看出,在月球上使用GNSS系統進行定位導航,存在著信號弱,測量幾何差的問題。那么,應該如何解決呢?
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針對上述月球目標導航面臨的信號弱,可以給接收機配置更多的接收天線,使之有更強的信號接收工作能力,實現弱信號的捕獲,提升可見導航衛星的數量。
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針對測量幾何差,可以給接收機配置更穩定的原子鐘、實現增強的導航濾波算法和鐘差模型,從而能夠使接收機進行軌道動力學和鐘差模型的外推,解決某些時刻可見星數量少于4顆和PDOP值惡化帶來的無法定位問題。
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除了上述兩個關鍵的問題,還要考慮因為潮汐鎖定現象而導致的GNSS系統覆蓋性問題,比如在月球背面,如何給目標提供定位導航服務等等的問題。
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實際上,為了使GNSS的服務范圍從近地擴展到更遠的空間直至地月系空間,科學家和工程師們已經開展了大量的科研工作,開展了利用GNSS支持更高軌道航天器導航的試驗,取得了好的應用成果以及科研結論。比如前文提到的計算以及2015年,NASA為研究“磁重連”現象而發射的4個航天器(任務代號MMS),通過GPS系統的精確定位,讓4個衛星時刻都保持成一個四面體的結構,實現了在150000 km高度上的GPS導航,精度達到10m量級。
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在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?


而我國也于2014年10月在探月工程三期再入返回飛行探測器(CE-5T1)上首次搭載GNSS接收機,成功獲取了60000km月球返回軌道上的GNSS數據和實時定位結果,為GNSS技術用于月球探測器導航提供了寶貴的經驗。
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基于這些研究成果和試驗經驗,利用GNSS技術支持月球探測器和登月宇航員的定位導航指日可待。此外,成功組網的我國北斗三號系統相比于單GPS系統,北斗三號系統的加入可以使月面目標可見的導航衛星數量增加1倍,導航衛星幾何分布也得到很大改善,從而為月面目標的定位導航提供更可靠的保障。
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今年是人類月球日的第51個年頭,我們不僅可以在月球上使用GNSS系統進行導航,還隨著技術的進步變得愈發高效??梢云诖?,往后會有更高效的技術應用幫助我們進行月球以及太空的探索!




本文綜合自“今日北斗(bddaily)”,原標題《在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?》精釀

在月球上,還能使用高精度的定位導航系統嗎?






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